“超級(jí)結(jié)”技術(shù)由于其優(yōu)越的品質(zhì)因數(shù)，已經(jīng)在擊穿電壓超過(guò)600V的功率MOSFET市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。在設(shè)計(jì)基于超級(jí)結(jié)的功率器件時(shí)，工程師必須考慮一些因素，以提高電源應(yīng)用中的效率、功率密度和可靠性。
工程考慮因素
如圖1所示，首先需要考慮的是P列從基區(qū)延伸，形成漂移區(qū)的“電荷平衡”，以實(shí)現(xiàn)更高的摻雜濃度，即相應(yīng)區(qū)域的更低電阻。延伸的結(jié)區(qū)域帶來(lái)了過(guò)多反向恢復(fù)電荷的缺點(diǎn)。
圖1：超級(jí)結(jié)MOSFET中的PN結(jié)
圖2顯示了一個(gè)典型的半橋配置，在低側(cè)MOSFET開啟前的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過(guò)高側(cè)MOSFET的體二極管自由回路。低側(cè)MOSFET開始開啟時(shí)發(fā)生體二極管的反向恢復(fù)。
由于高側(cè)MOSFET的反向恢復(fù)電荷，低側(cè)MOSFET會(huì)看到一個(gè)負(fù)電流尖峰。這會(huì)導(dǎo)致低側(cè)MOSFET過(guò)大的開啟損耗。同時(shí)，高側(cè)MOSFET在Tb期間會(huì)看到一個(gè)高的上升速率電壓和電壓尖峰，這會(huì)對(duì)器件造成過(guò)載。
圖2：半橋電路中的體二極管反向恢復(fù)
最終，如圖3的示例所示，當(dāng)正向電流和電流上升速率超出器件的安全工作范圍時(shí)，600V超級(jí)結(jié)器件的故障是由體二極管恢復(fù)引起的。
圖3：說(shuō)明由體二極管反向恢復(fù)引起的設(shè)備故障
需要注意的問(wèn)題是，基于超級(jí)結(jié)的功率器件中的體二極管反向恢復(fù)已經(jīng)深刻影響了高壓功率器件在電源設(shè)計(jì)中的選擇。圖4顯示了AC/DC電源中的典型電路。
在功率因數(shù)校正階段，作為高側(cè)器件使用SiC肖特基二極管而不是同步整流FET，因?yàn)橥秸髌鞯姆聪蚧謴?fù)引起的開關(guān)損耗在目標(biāo)開關(guān)頻率下(通常高于50kHz)太高。
在DC-DC階段，使用軟開關(guān)LLC電路，在正常運(yùn)行模式下不會(huì)發(fā)生高壓器件的硬換相。器件的硬換相會(huì)導(dǎo)致體二極管反向恢復(fù)，因此在這種情況下不會(huì)發(fā)生。
然而，在異常運(yùn)行條件下如啟動(dòng)和短路瞬態(tài)期間，LLC電路中可能會(huì)發(fā)生硬換相。LLC電路的控制器設(shè)計(jì)中通常需要對(duì)這些瞬態(tài)進(jìn)行保護(hù)。未能防止LLC電路中的硬換相可能會(huì)由于非常迅猛的體二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)導(dǎo)致高壓器件故障。
圖4：典型的 AC/DC 電源電路結(jié)構(gòu)
在某些情況下，高壓器件的體二極管反向恢復(fù)是無(wú)法避免的。例如，在具有數(shù)字控制器的高功率LLC轉(zhuǎn)換器中，沒(méi)有逐周期硬換相保護(hù)。在高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，高側(cè)和低側(cè)開關(guān)都需要有源器件(MOSFET/IGBT)。在這些應(yīng)用中，改善體二極管的反向恢復(fù)電荷和可靠性是高壓功率器件的關(guān)鍵要求。
αMOS5快速恢復(fù)二極管技術(shù)
由Alpha和Omega Semiconductor(AOS)開發(fā)的αMOS5快速恢復(fù)二極管(FRD)MOSFET平臺(tái)專門針對(duì)低反向恢復(fù)電荷和開關(guān)魯棒性進(jìn)行了優(yōu)化。
在這項(xiàng)技術(shù)中應(yīng)用了電子輻照來(lái)控制反向恢復(fù)階段雙極載流子的壽命。它通過(guò)創(chuàng)建缺陷作為復(fù)合中心，加速FRD在正向偏置和反向恢復(fù)階段的電子/空穴對(duì)復(fù)合過(guò)程，從而顯著減少FRD漂移區(qū)存儲(chǔ)的過(guò)多電荷總量。
比較具有相同超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)但不同載流子壽命控制的Qrr波形，ER處理的部分顯示出顯著減少的Qrr值。抑制的Qrr意味著FRD中會(huì)有更小的功率尖峰，從而抑制熱故障的風(fēng)險(xiǎn)。
值得注意的是，MOSFET的有源/終止過(guò)渡區(qū)是反向恢復(fù)故障最脆弱的部分，因?yàn)樗谟邢薜拿娣e內(nèi)通過(guò)高電流密度。αMOS5平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它采用了保守的終止設(shè)計(jì)，使電場(chǎng)在過(guò)渡區(qū)均勻分布。這一優(yōu)化防止了在反向恢復(fù)tb階段由于過(guò)度功率密度引起的局部熱點(diǎn)燒毀。
圖5：ER控制的反向恢復(fù)波形
測(cè)試結(jié)果
AOS αMOS5 FRD MOSFET測(cè)試驗(yàn)證了體二極管反向恢復(fù)的安全操作條件。測(cè)試結(jié)果在器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供。
圖6顯示了AOS的AOK042A60FD 600V 42m? αMOS5 SJ MOSFET和兩款具有相似BVdss和Rdson規(guī)格的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的測(cè)試波形。測(cè)試在50A正向電流和1000A/us上升速率下在三種不同溫度下進(jìn)行。
如表1所示，AOK042A60FD在200°C下通過(guò)了測(cè)試，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在較低溫度下未能通過(guò)測(cè)試。
表1：反向恢復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果
值得注意的是，AOK042A60FD在Tb期間波形中顯示出最低的漏極電壓上升速率。這有助于器件在嚴(yán)酷的反向恢復(fù)瞬態(tài)中生存并改善其EMI性能。
測(cè)試結(jié)果顯示，AOS αMOS5 FRD SJ器件在反向恢復(fù)瞬態(tài)中提供了高度有效的體二極管魯棒性，這在LLC轉(zhuǎn)換器等橋式應(yīng)用中確保了系統(tǒng)在異常和瞬態(tài)條件下的最高可靠性。
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